自動控制技術對農業(yè)機械的優(yōu)化作用及應用特征

0 引言

《中華人民共和國農業(yè)機械化促進法》實施以來的近18年，我國的農業(yè)機械化生產覆蓋率得到了顯著提升，機械化作業(yè)已經成為農業(yè)生產的主流模式，農機市場也得到了空前發(fā)展。在農機需求量增加的同時，農業(yè)機械的技術也得到了快速提升，農機產品從機械結構、原理、動力、配套技術等方面都得到了長足發(fā)展，使農機化作業(yè)質量得到了更好保障。從現(xiàn)階段我國農機技術來看，其機械功能已經較為成熟，但是農機產品的自動化程度還有較大提升空間，農機產品中應用自動控制技術能夠顯著提高農機的使用便捷性，并在一定程度提高農機作業(yè)質量和效率，為我國農業(yè)生產勞動力水平提升創(chuàng)造更好條件。

對數(shù)據(jù)應用SPSS 23.0統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計學研究分析。以均數(shù)±標準差（±s）表示計量資料，組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料以[n（%）]表示，組間比較采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1 農機技術的應用情況

截至2020年底，我國農作物耕種收的綜合機械化程度達到71.25%，相對于2019年提升1.23%，其中機耕率達到85.49%，機播率達到58.98%，機收率達到64.56%，各主要農作物機械化程度見圖1。隨著我國農業(yè)機械總動力超過10.56億kW，我國農業(yè)機械的配套動力和保有量得到持續(xù)提升，其中拖拉機保有量達到2 204.88萬臺，拖拉機配套農機具達到4 024.08萬臺，且58.84 kW(80馬力)以上拖拉機數(shù)量超過143.66萬臺，水稻插秧機、免耕播種機、精量播種機、機動植保機、稻麥聯(lián)合收割機、玉米聯(lián)合收割機、植保無人機等產品的使用量也得到明顯提升。

“互聯(lián)網+教育”的概念目前還沒有統(tǒng)一定論，不同學者有不同的看法。筆者認為，“互聯(lián)網+教育”是互聯(lián)網平臺和現(xiàn)有教育的深度融合，其可以利用移動互聯(lián)網技術建立各種教育平臺，設計更多方便、多樣的教育工具，更好地幫助教學者、受教育者以及教學機構達到預期教學效果，最終實現(xiàn)“多贏”局面。

在農機應用量持續(xù)增加的同時，我國自主研發(fā)的農機產品在技術先進性方面與進口農機仍存在一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1)現(xiàn)代化技術的應用不足，我國自主研發(fā)的很多農機產品沒有充分結合電氣控制、自動化、計算機、傳感器等技術，導致設備的使用過分依賴人工實現(xiàn)；2)機械結構相對復雜，由于沒有有效利用電控、液壓等技術實現(xiàn)傳統(tǒng)機械傳動、控制等技術優(yōu)化，導致現(xiàn)階段自主農機產品的機械結構仍比較復雜；3)精確性不足，一方面由于生產制造能力有限，農機產品在加工、裝配等環(huán)節(jié)的工藝無法達到國際一線水平，導致農機工作過程的精確性降低，另一方面，由于缺少環(huán)境感知、智能系統(tǒng)等技術應用，導致農業(yè)機械作業(yè)模式單一，不能有效結合環(huán)境變化調整作業(yè)方案，導致生產過程中的資源消耗和實際作業(yè)質量達不到預期

。

隨著我國東北、華北、長江中下游等農業(yè)主產區(qū)生產模式優(yōu)化調整，農業(yè)生產中有更多耕地適合中大型先進農機設備開展高效率作業(yè)，為農機技術的快速升級奠定了基礎，我國近年來的科研重點也從傳統(tǒng)的產品開發(fā)向全程自動化生產轉變，電氣自動化技術的應用得到重視和提升。

將自動控制技術與植保技術相結合，能有效促進變量噴藥理念的實現(xiàn)。通過自動控制技術與農業(yè)遙感技術、視覺識別技術相結合，能實現(xiàn)農田作業(yè)過程中的按需噴藥，有效降低農藥用量，并提高植保質量。部分植保機械配備了對靶噴藥技術，能夠實現(xiàn)針對病蟲害的定向噴施，進一步改善農藥使用量。此外，利用自動控制技術結合衛(wèi)星定位設備，能夠對航空植保無人機進行精確自動化控制，實現(xiàn)對指定區(qū)域范圍內的高效率自動化植保。

2 自動控制技術的應用形式

2.1 節(jié)水灌溉技術應用

水田平地機在水稻生產中應用量持續(xù)提升，傳統(tǒng)的水田平地機受田間地勢影響較大，平地質量往往難以保證。利用電氣控制技術結合模糊PID算法，能實現(xiàn)水田平地機作業(yè)傾斜度、高度偏差的實時調整，通過與RTK-GPS差分定位技術結合，能夠實現(xiàn)作業(yè)精度達到厘米級作業(yè)，再結合電控元件對平地機設備的實時調整，能保證平地后水田平整度偏差在5 cm范圍內。

自動控制技術在20世紀以來發(fā)展迅速，經過長期發(fā)展，已成為現(xiàn)階段科學技術發(fā)展的重要組成部分。自動控制技術將傳統(tǒng)的機械技術、電氣技術、計算機技術進行整合，并結合先進的傳感器技術、電機技術、網絡通訊技術、電控開關技術等實現(xiàn)對機械功能的精確控制。自動控制技術面向各個行業(yè)開展應用，其與傳統(tǒng)的機械技術行業(yè)發(fā)展關系密切。近年來自動控制技術進一步向農業(yè)機械領域延伸，力爭提升農業(yè)機械產品的自動化與智能化程度。

2.2 變量施肥技術應用

職業(yè)技能大賽是檢驗職業(yè)院校教學質量和教學成果，展現(xiàn)院校教師隊伍風采的重要活動。通過參加各級各類的技能競賽，教師可以了解本專業(yè)發(fā)展方向，認識到自己本身知識結構的不足，更好的提高自身的專業(yè)水平和教學水平，達到以賽促學、以賽促練、以賽促教，促進“雙師型”教師隊伍建設。

2.3 水田平地技術應用

合理灌溉是農業(yè)生產的重要工作，也是農作物健康生長的核心和基礎。隨著農業(yè)技術發(fā)展，自動控制技術與傳統(tǒng)灌溉技術實現(xiàn)了有效結合，在灌溉管路等基礎設施進一步普及的前提下，自動控制技術對于灌溉過程合理性的提升起到了至關重要的作用。自動控制技術促進了節(jié)水灌溉理念的實現(xiàn)，通過在農田分布土壤含水率檢測的傳感器，能夠精確獲取不同區(qū)域的土壤水分情況，并利用自動控制技術實現(xiàn)不同用水量分區(qū)域灌溉的合理模式。

2.4 智能植保技術應用

蘭德研究生院（現(xiàn)為帕蒂蘭德研究生院）是美國最大的公共政策博士學位項目，也是為培養(yǎng)未來公共政策領袖而設立的8個研究生項目之一。

2.5 智慧大棚技術應用

自動控制技術能夠將眾多電控原件、電控技術引入農業(yè)機械系統(tǒng)中，利用電控原件能實現(xiàn)傳統(tǒng)農業(yè)機械功能調整與控制，使很多功能不再通過復雜的機械結構、傳動機構等實現(xiàn)，而通過控制線路、電控開關、電控驅動器等設備實現(xiàn)。使農業(yè)機械的結構得到有效簡化，同時農業(yè)機械的設計、生產、裝配等過程難度也隨之降低。

3 自動控制技術特征

如果說對“史例”的探討更多集中了當時學人的理性訴求，“史筆”本身則滲透了各種各樣不足為外人道的微妙心思，是很好的無意識史料，記載了特定時代人們的心態(tài)、審美與價值觀?！叭A亭鶴唳”這一故事的流變與定型，本身也是很好的故事，讓我們看見人們內心深處的脆弱、回避、抗拒，以及恐懼。這是那些曾各懷心事講過這一故事的人無法逆料的。

自動控制技術體系較為龐大，主要技術包括控制系統(tǒng)、自動控制設備、通訊設備、執(zhí)行器等?？刂葡到y(tǒng)是自動控制技術實施的邏輯主體，是控制過程的“大腦”，控制系統(tǒng)是計算機控制程序的集成體，能夠實現(xiàn)邏輯判斷與決策、數(shù)據(jù)分析存儲、人機交互等眾多功能，控制系統(tǒng)常利用PID控制技術和復合型控制軟件實現(xiàn)控制功能，可按照機械設備的使用需求進行有針對性的設置。自動控制設備是控制系統(tǒng)執(zhí)行的硬件，包括電控開關、電控液壓閥、可編程控制器、變頻驅動器、工控機器人等；通訊設備是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O備總稱，例如無線通訊模組、光纖模組、電訊號模組等，能夠實現(xiàn)安全、低干擾通訊。執(zhí)行器是用于最終執(zhí)行動作的元件，如氣缸、液壓缸、電機等

。

變量施肥技術與節(jié)水灌溉技術類似，能根據(jù)不同區(qū)域農業(yè)耕地土壤肥力需求有針對性地進行施肥量調整。要求施肥設備在進行施肥作業(yè)過程中能夠結合農田土壤信息，對不同區(qū)域選擇合理的施肥量?，F(xiàn)階段，很多研究致力于通過控制電機轉速改變排肥量，從而實現(xiàn)施肥機械與衛(wèi)星定位系統(tǒng)結合，對不同區(qū)域實施變量施肥，部分地區(qū)的施肥方式為灌溉與施肥同步進行，可通過自動控制技術同時控制灌溉量實現(xiàn)變量施肥的目的

。

4 自動控制技術的優(yōu)化作用

4.1 簡化農業(yè)機械結構

近年來，我國智慧大棚的建設量持續(xù)提升，自動控制技術在智慧大棚建設中發(fā)揮了重要作用。一方面大棚內部的溫度、濕度、光照等環(huán)境信息，能夠通過傳感器設備實時獲取并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進而實現(xiàn)對溫濕度等環(huán)境的自動調節(jié)；另一方面利用自動控制技術對大棚內的作物實現(xiàn)自動灌溉、自動施肥、病蟲害監(jiān)測，有效降低管理工作量，提升大棚生產的合理性

。

4.2 提升農機可控性

電控技術的應用能夠通過控制電控元件便捷實現(xiàn)對農業(yè)機械各個部位的控制，通過信號傳輸技術對農機功能進行控制，與傳統(tǒng)機械結構控制相比，在反應時間上具有明顯優(yōu)勢。同時利用ECU技術，農機工作過程一些常規(guī)操作可通過ECU自主判斷并執(zhí)行控制，不僅提升控制的合理性，還簡化了人員操作控制的過程。此外，自動控制設備的安裝更為便捷，通常僅需較小的空間布置電控硬件，利用合理布線即可實現(xiàn)很多控制功能，有效提升農業(yè)機械的控制范圍，使傳統(tǒng)農機難以控制的部位通過電控系統(tǒng)簡單實現(xiàn)控制。

4.3 提升農機可靠性

一方面，自動控制技術的應用，使農業(yè)機械的內部增設了大量傳感器設備，這些設備能夠針對農業(yè)機械的發(fā)動機、變速箱、傳動軸、液壓系統(tǒng)等進行實時監(jiān)測，并自動判斷農機的關鍵部位是否運轉正常，做到對于故障問題及時預警，避免嚴重故障的發(fā)生。另一方面，自動控制技術能夠在農業(yè)機械的外部增設環(huán)境感知設備，包括視覺識別、雷達感知、衛(wèi)星定位導航等，能對農田環(huán)境實現(xiàn)更好地掌握，輔助進行農業(yè)機械的駕駛，避免農機使用過程出現(xiàn)損壞或安全事故。

4.4 提升農機作業(yè)效率

自動控制技術應用后，農業(yè)機械能夠利用自動控制功能進行快捷調整，例如在耕整地過程中，自動控制技術能夠根據(jù)駕駛員的需求快速調整耕作深度，先進的自動化設備還能在駕駛室實時顯示耕作深度，駕駛員不需停車調整便可完成耕深修正，有效縮短人工調整農機的時間消耗。同時，自動控制技術降低了農業(yè)機械故障率，農機化生產能夠更連續(xù)高效地實施

。

4.5 優(yōu)化農機維修流程

自動控制技術在農業(yè)機械中應用有效提高了農業(yè)機械的故障自檢能力，當出現(xiàn)較大故障問題時，農機維修人員在傳統(tǒng)的維修過程很難快速對故障進行定位，往往造成維修效率低下、工作量大等問題，而針對自動控制技術應用的農業(yè)機械，農機維修人員能利用專用設備聯(lián)接農業(yè)機械，從而獲取農機故障發(fā)生前后時期的相關監(jiān)測信息，用以輔助判斷故障原因及故障位置。部分先進的自動化農機能在故障發(fā)生時產生故障碼，直接顯示故障位置與故障信息，有效提升農機故障的維修效率，簡化農機檢測、故障判斷等流程。

4.6 降低農機售后成本

自動控制技術有效規(guī)范了農業(yè)機械的駕駛行為，使農機使用過程的不規(guī)范操作得到有效控制，因不規(guī)范使用而造成農機損壞等故障明顯減少。智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時提醒使用者進行農機保養(yǎng)與維護，使各個零部件的使用壽命相應延長，降低了農業(yè)機械使用過程出現(xiàn)故障的概率，有效控制了農機售后服務成本

。

5 結語

隨著我國農業(yè)機械化生產的廣泛普及，農機設備的先進性已經成為影響生產質量和農業(yè)經濟效益的關鍵因素，農機設備的技術升級已成為農機行業(yè)的迫切需求。我國農機企業(yè)在產品研發(fā)與生產的過程中應重視與國際先進農業(yè)企業(yè)之間的差距，重視將現(xiàn)代化電氣控制技術、計算機技術、傳感器技術等融入農機產品的研發(fā)過程中，實現(xiàn)農機設備自動化程度的有效提升，為我國農機化生產效率、質量提升創(chuàng)造有利條件。

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